CN110159202A - 一种具有固定缓冲结构的金刚石钻头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有固定缓冲结构的金刚石钻头，属于钻探领域。钻头体、延伸自钻头体或固定在钻头体上的若干个刀翼、水眼或喷嘴，至少一个刀翼上设置有刮切齿，且至少一个刀翼上只设置有缓冲元件或缓冲耐磨层，或至少一个刀翼的前端和/或后端有延伸自所述刀翼的缓冲座，缓冲座上设置有缓冲元件或缓冲耐磨层。本发明能够显著增强钻头在定向钻进过程中的抗冲击能力，避免或减缓切削齿及其他井下工具造成冲击损坏或过早的功能性失效，提高钻头的工作稳定性和延长钻头使用寿命。

Description

一种具有固定缓冲结构的金刚石钻头

技术领域

本发明属于石油天然气钻探工程、矿山工程、建筑基础工程钻孔施工、地质钻探、地热钻探、水文钻探、隧道工程、盾构及非开挖等技术设备领域，特别是涉及一种钻进钻头。

背景技术

钻头是钻井工程中用以破碎岩石、形成井筒的破岩工具，常用的有聚晶金刚石复合片钻头（PDC钻头）、牙轮钻头以及孕镶金刚石钻头。PDC钻头依靠高硬度、高耐磨性、具有自锐能力的聚晶金刚石复合片来剪切岩石，PDC钻头凭借在软到中硬地层中机械钻速高、寿命长，钻进成本低等优点，在油气勘探、地热钻井作业等工程中得到了广泛使用。以PDC钻头为代表的固定切削齿钻头通常都具有若干个刀翼，刀翼上沿着钻头径向设置有多个切削元件（对PDC钻头，切削元件主要是聚晶金刚石复合片，简称复合片或PDC齿）。

在钻井过程中，PDC钻头的复合片切削齿在钻压和扭矩的作用下，克服地层应力吃入地层并向前钻进。PDC钻头以剪切的方式破碎岩石的工作特点，相比于牙轮钻头冲击碾压的破岩方式，所需驱动扭矩较大。在理想钻进过程中，在一定的钻压下，PDC均匀的吃入地层深度恒定，对岩石产生的是均匀刮切，其扭矩反馈趋于平稳状态。然而，由于井下地层情况的复杂性，特别是在钻遇软硬交错的地层时，钻头吃入地层深度频繁变化，钻头扭矩反馈的振动程度也就越剧烈。严重时，钻头吃入地层深度过深，会造成驱动扭矩不能驱动钻头进行旋转导致钻头停转。此时钻柱在转盘的驱动下继续扭转。当钻柱所积能量足以克服钻头与地层之间互作用的扭矩时，钻头从静止状态向运动状态过渡，钻柱所积累的能量瞬间释放，钻头突然超过正常速度的数倍加速旋转。这就是钻头的粘滑现象。这种现象，易引起钻头和钻具的高速旋转和扭阵，使钻头切削齿承受大的周向冲击载荷，导致钻头崩齿、损坏、钻具断脱、及其他井下工具和测量仪器的损坏，严重影响钻进效率。另外，由于PDC钻头吃入地层的深度对钻压的变化特别敏感，加之切削齿与岩石互作用的复杂性，PDC钻头还存在沿钻头轴向方向的纵向振动也会对钻头寿命和机械钻速产生影响。

因此，如何控制钻头吃入岩石的深度，减小钻头扭矩对钻压的敏感程度，消除钻头卡滑憋跳，使钻头扭矩在给定钻压下保持在相对稳定的运动状态，是延长井下钻具和钻头的使用寿命，是提高钻井效率的重要技术难题。

发明内容

本发明的目的在于：提出一种钻井用的PDC钻头，能够显著增强钻头在定向钻进过程中的抗冲击能力，避免或减缓切削齿及其他井下工具造成冲击损坏或过早的功能性失效，提高钻头的工作稳定性和延长钻头使用寿命。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种具有固定缓冲结构的金刚石钻头，包括钻头体、延伸自钻头体或固定在钻头体上的若干个刀翼、水眼或喷嘴，至少一个刀翼上设置有刮切齿，且至少一个刀翼上只设置有缓冲元件或缓冲耐磨层，或至少一个刀翼的前端和/或后端有延伸自所述刀翼的缓冲座，缓冲座上设置有缓冲元件或缓冲耐磨层。

对于本发明所涉及的钻头体、牙齿、刀翼、水眼或喷嘴为本领域公知的概念，在此不做赘述，可以参考如图1、2、3、4、9、10、12-21，为本发明钻头的结构示意图，其中，1为钻头体、2为刀翼、21为刮切齿、15为水眼或喷嘴。

上述方案中，所述的至少一个刀翼上只设置有缓冲元件或缓冲耐磨层，事实上也可以理解为是一个缓冲座，其独立于刀翼延伸自钻头体。缓冲耐磨层或缓冲元件的设置，能够明显增强缓冲座的耐磨和抗冲击能力，进而增加钻头的工作寿命。缓冲耐磨层可以为覆焊层、金刚石颗粒孕镶在缓冲座工作部位内，缓冲元件或缓冲耐磨材料还可以为人造金刚石、天然金刚石、孕镶金刚石、硬质合金、立方氮化硼、陶瓷等。缓冲元件通过过盈配合、焊接、螺纹连接等方式与缓冲座固定连接，或与缓冲座为一体式结构。

凡是通过纵向承载、分压，增加与岩石的纵向接触面积，以限制刮切齿吃入深度，并通过缓冲效果减少刮切齿冲击失效的辅助切削元件，称为缓冲元件或缓冲齿。缓冲元件的工作端要求具有较高的耐压、抗冲击强度，比如用在牙轮钻头上较“钝”的锥球牙齿、楔形牙齿。除此之外，其他具有耐压、抗冲的元器件也可作为缓冲元件，如孕镶块、孕镶齿。缓冲元件的工作端的曲面可以为平的、外凸的、凹的、以及它们之间的组合。缓冲头的材料可以为人造金刚石、天然金刚石、孕镶金刚石、硬质合金、立方氮化硼、陶瓷等。

需要特殊说明的是：刮切齿也可以起到缓冲作用，如PDC齿、TSP齿平镶在缓冲座上，此时刮切齿并非以刮切原理工作，而主要是起到分担钻压，限制钻头上其他刮切齿吃深的作用。

“刮切齿”是指以刮切、剪切作用破碎岩石的切削元件，主要包括PDC齿（聚晶金刚石复合片）、TSP齿（热稳定金刚石聚晶片）、斧脊齿、以及具有微切削功能的孕镶卧齿、以及其他具有非平面的金刚石切削齿。刮切齿的材料还可以为人造金刚石、天然金刚石、孕镶金刚石、硬质合金、立方氮化硼、陶瓷等。

方案中所说的刀翼前端，是指对于某一刀翼上的切削齿来说，切削齿正常钻进时绕钻头轴线旋转的方向，也即切削齿工作面朝向的方向，请参阅图1标号22。与之相反，进一步地即为刀翼后端，请参阅图1标号23。

本发明钻头缓冲座的减震缓冲原理如下：

常规钻进中，钻头在绕钻头轴线旋转时，因钻头并非完整圆柱体而产生多边形效应，同时会在旋转方向上产生振动（或称为扭振），本发明中用玄高来评价。请参阅图6，钻头上相邻两切削结构在钻头圆周方向上相距最远，且距井壁最近的两点（或两个小的区域）之间的玄高值越大，钻头的多边形效应或周向振动就越严重，反之越小。本发明实施例中，在径向方向上，缓冲座至少部分在由原玄线和所截小圆弧组成的面域内，这样将原来的玄高S₀变为了现有的玄高S₁，玄高的降低，多变形效应得到了缓解，振动冲击减弱。

特别地，在导向钻井中（请参阅图7），因螺杆自带弯角，钻头旋转轴线和钻柱轴线存在一定夹角，钻头1的自转（螺杆马达提供）和公转（转盘提供）回转中心不再重合，两者运动速度的矢量和，不再是直接叠加，钻头的运动情况更为复杂。导向钻井的复合钻进过程中，因钻头自转轴线和钻柱（或井壁）轴线出现偏差，使得实际井筒直接大于钻头直径。在此情况下，在径向范围内，钻头实际只有部分的切削结构在与未破除岩石接触。实际上，在动态的破岩过程中，钻头的工作过程中其切削结构依次轮流与岩石接触。显然，两种切削结构在切换过程中，存在着对井壁的冲击或撞击。现有牙轮-PDC复合钻头两种切削结构之间的跨度或玄高比较大，当某一切削结构向另一切削结构切换时，钻头对井底岩石的已经不再是小幅值冲击，而变为大幅值撞击，加之，钻头外部刮切齿，工作速度更大，容易产生脆断。复合钻进过程中，减小切削结构之间的跨度或玄高，能够减缓撞击，是增强钻头钻进能力的有效手段。本发明的钻头技术中，在牙轮和PDC两种切削结构中间设置缓冲座，能够大幅降低牙轮和PDC两种切削结构之间的玄高或跨度，在两种切削结构切换过程中，起到过渡的作用，减小撞击对刮切齿的损害程度。此外，缓冲座的设置，钻头的圆度变的更好，多边形效应也得到显著缓解。

在轴向方向上，无论是常规钻井，还是导向钻井，在某种特殊情况下（例如钻头在一定钻压下，由硬地层突然进入软地层），加在钻头上的钻压突然释放，将会使钻头在轴向方向产生冲击，刮切齿上的比压大幅增加，容易造成刮切齿的过载损坏。本发明技术的缓冲座，在这种情况下，能够限制刮切齿的吃入过深，提供更多的支撑点或区域，分担部分钻压，减小振幅，对刮切齿形成一个很好的保护。

作为优选，至少两个相邻刀翼之间由缓冲座相连。

上述方案中，所述中的缓冲座连接于两个相邻的刀翼，可以理解为，缓冲座延伸自其中一个刀翼的前端或后端至另一个刀翼的后端或前端。容易想到的是，当本案中的缓冲座不与钻头体相连接的时候，形成了类似桥梁型的结构。当缓冲座与钻头体相连的时候，则形成类似坝型的结构。本方案中，桥梁或坝型的缓冲座能够增强刀翼的强度。

进一步，桥梁式或坝型的缓冲座位于钻头不同径向位置。

上述方案中，当缓冲座位于钻头外部区域参与保径时，能够明显增强钻头的保径能力，且增强钻头的自扶正效果。另外，对于PDC钻头来说，处于钻头外锥处的切削齿较其他位置线速度大，容易受到更大的冲击载荷而失效；同时，外锥处切削齿对钻头的扭矩贡献也比其他地方大，将缓冲元件安设在外锥处，将大大减小外锥处切削齿由于过吃入深度而导致的钻头扭矩增加幅度，从而稳定钻头扭矩。

作为优选，至少一个刀翼的前方和/或后方延伸有缓冲座，且缓冲座不与钻头体相连。

上述方案中，缓冲座不与钻头体相连，在增强钻头的抗冲击能力的同时，对钻头的排屑能力影响较小。

作为优选，至少一个刀翼的前方和/或后方延伸有缓冲座，且缓冲座与钻头体相连。

上述方案中，缓冲座与钻头体相连，能够明显增强刀翼体的强度和工作可靠性。

进一步的，缓冲座延伸自刀翼前端延伸至所述刀翼前端相邻刀翼后端，且与钻头体相连接。

作为优选，缓冲座上设置的缓冲元件为孕镶金刚石元件、金刚石复合片、旋转齿或它们之间的组合。

作为优选，缓冲座应用于包含有牙轮切削结构和/或盘刀切削结构的金刚石钻头中。

作为优选，缓冲座应用于包含有冲击切削结构的金刚石钻头中。

作为优选，缓冲座的外侧面与刀翼的保径面为相同回转面，共同参与钻头保径。

上述方案中，缓冲座的外侧面参与保径增加了钻头保径面积，能起到很好的自身扶正效果，极大地提高钻头的稳定性，减少钻头涡动。此外，处于钻头外锥处的切削齿较其他位置线速度大，容易受到更大的冲击载荷而失效，同时，外锥处切削齿对钻头的扭矩贡献也比其他地方大，将固定缓冲结构设置在外锥处，将大大减小外锥处切削齿由于过吃入深度而导致的钻头扭矩增加幅度，从而稳定钻头扭矩。

在导向钻井中，钻头需要有一定的侧向切削能力。钻头滑动钻进造斜时，在导向工具或弯螺杆的作用下，钻头外侧切削齿会紧紧的贴在井壁的一侧对井壁进行切削，但由于刀翼的不连续性，相邻刀翼之间存在有较大的流道空间，即钻头的外表面并不是一个完整的圆柱面，这样，钻头外锥处和保径处切削齿与井壁接触过程中，存在一个刀翼向下一个刀翼过渡的现象，从而就会对钻头产生横向的冲击振动而损坏切削齿。外桥支座方式，可以增加钻头保径处与井壁的接触区域，相当于为钻头保径提供了更多的与井壁岩石之间支撑点，增加钻头表面的圆柱度，使刀翼过渡更平稳，切削齿切削过程更稳定。

本发明的有益效果：

1、本发明方案中缓冲结构的设置，能够在钻进方向上的支撑点或区域，减弱钻头钻进过程中的轴向振动。当缓冲座应用在钻头外部区域时，能够降低多边形效应以及扭转振动。特别是导向钻井中，本发明的优势更加明显。

2、能够显著降低钻头在复杂工况下钻头扭矩对钻压的敏感度，提高钻头旋转钻进时扭矩的平稳度，有效降低因PDC钻头大的扭矩波动对切削齿及其他井下工具造成的冲击损坏，提高钻头的工作稳定性和延长钻头使用寿命。

3、在定向钻井中，本发明PDC钻头可以提高定向滑动钻进时调整工具面的效率，节约钻井时间。

4、当缓冲座位桥梁式结构时，能够增强刀翼的强度。当桥梁式缓冲座参与保径时，还能增强钻头的自扶正能力。

附图说明：

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明实施方式提供的钻头在第一视角下的结构示意图。

图2是本发明实施方式提供的钻头在第二视角下的结构示意图。

图3是基座延伸自钻头刀翼前端且与钻头体连接的钻头主视图。

图4是基座延伸自钻头刀翼前端且与钻头体连接的钻头俯视图。

图5是钻头切削轮廓的不同区域示意图。

图6是本发明中玄高的定义示意图。

图7是导向钻井中工作原理示意图。

图8是固定的工作轮廓线与钻头的切削轮廓线法向距离的范围为0~5mm示意图。

图9是基座延伸自钻头刀翼前端且与钻头体不连接的钻头主视图。

图10是基座延伸自钻头刀翼前端且与钻头体不连接的钻头俯视图。

图11是固定缓冲的工作轮廓线与钻头的工作轮廓线方向距离不等且径范围为0~5mm示意图。

图12是基座延伸自钻头刀翼前端且与钻头体连接的钻头主视图。

图13、14是基座延伸自钻头刀翼前端且与钻头不体连接的钻头主视图。

图15是基座延伸自刀翼前端延伸至相邻刀翼后端且不与钻头体相连接的钻头主视图。

图16是基座延伸自刀翼前端延伸至相邻刀翼后端且不与钻头体相连接的钻头俯视图。

图17是基座延伸自刀翼前端延伸至相邻刀翼后端且与钻头体相连接的钻头主视图。

图18是基座上设置有切削元件的钻头俯视图。

图19是基座延伸自刀翼前端延伸至相邻刀翼后端，不与钻头体相连接且基座上设置有切削元件的钻头主视图。

图20、21是基座岩石自刀翼后端且与钻头本体相连的钻头示意图。

图22是基座上这只有耐磨材料的示意图。

图23是缓冲元件设置于保径区的示意图。

图24、25、26、27是复合钻头上设置有固定缓冲的钻头示意图。

图28是盘刀复合钻头上设置有固定缓冲的钻头示意图。

图29是设置有冲击切削单元的钻头示意图。

图30是固定缓冲的工作轮廓线与钻头工作轮廓线相交示意图。

图31是在刀翼与基座之间设置有排屑槽的钻头示意图。

图32、34是具有三维曲面的金刚石复合缓冲元件的示意图。

图33是能绕自身轴向转动的缓冲元件示意图。

图35是具有独立基座的钻头主视图。

图36是具有独立基座的钻头俯视图。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。

如图1、2所示，一种具有固定缓冲结构的金刚石钻头，包括钻头体1、延伸自钻头体或固定在钻头体上的刀翼2、水眼或喷嘴15、流道14，至少一个刀翼设置有刮切齿21，且至少一个刀翼2的后端23有延伸自所述刀翼2的缓冲座41，所述缓冲座上设置有缓冲元件42。

作为选择，缓冲座41上设置有缓冲耐磨层421，如图22所示,缓冲耐磨层421的材料可以为人造金刚石、天然金刚石、孕镶金刚石、硬质合金、立方氮化硼、陶瓷等。

需要说明的是：

在本发明实施例中，缓冲元件42以较钝的锥球齿为例对缓冲结构的工作原理进行了说明，在本发明的其他的实施方式中，缓冲元件42不仅可以为由回转形成的锥球齿，还可以为以回转形式或非回转形式形成的其他类型的元件。比如，工作端为外凸面的金刚石刮切齿，工作端为平面的金刚石刮切齿，平面和外凸面组合的金刚石刮切齿（参阅图34），外凸面和内凹面组合的金刚石刮切齿，以及表面做加强的牙齿。

进一步的，参阅图9、10、13、14所示，缓冲座41延伸自刀翼前端22，且不与钻头体1连接。参阅图1、2，为缓冲座41延伸自刀翼后端23，且不与钻头体相连。需要说明的是，一个刀翼前端22或后端23可以同时有多个缓冲座41，亦可以一个刀翼的前端22和后端23同时存在上述所述缓冲座41。

进一步的，参阅图3、4、12，缓冲座41延伸自刀翼前端22，且与钻头体1连接。参阅20、21，缓冲座41延伸自刀翼后端23，且与钻头体相连。

进一步的，参阅图15、19所示，缓冲座41连接两个相邻的刀翼2，且与钻头体1不相连接，形成桥梁型结构。

进一步的，参阅图17所示，缓冲座41连接两个相邻的刀翼2，且与钻头体1相连接，形成坝型结构。

作为选择，参阅图35、36所示，钻头体1上至少一个刀翼2上只装有缓冲元件42，本方案事实上是独立于刀翼2的缓冲座41。

参阅图24、28、29所示，分别为缓冲座41应用于具有牙轮切削结构31、盘刀切削结构32、冲击切削结构的金刚石钻头中。

作为选择，参阅图8、11、30所示，固定缓冲座41的工作轮廓线43与钻头的切削轮廓线13法向距离的范围为|H|≤5mm。

进一步的，参阅图30所示，固定缓冲座41的工作轮廓线43于对应切削轮廓线13的各个法向位置点距离不等。需要说明的是，固定缓冲座41的工作轮廓线43于对应切削轮廓线13的各个法向位置点距离亦可以部分或全部不等。

进一步的，参阅图8、11所示，固定缓冲座41的工作轮廓线对应切削轮廓线的各个法向位置点距离不等。且部分切削轮廓线13包络于固定缓冲结构4工作轮廓线43内。

作为选择，参阅图3、4、31所示，在刀翼2与缓冲座41之间设置有排屑槽411，以便刀翼2与缓冲座41连接处对应的切削元件21破碎岩石产生的岩屑能够顺利的排出。

Claims (10)

1.一种具有固定缓冲结构的金刚石钻头，包括钻头体、延伸自钻头体或固定在钻头体上的若干个刀翼、水眼或喷嘴，其特征在于：至少一个刀翼上设置有刮切齿，且至少一个刀翼上只设置有缓冲元件或缓冲耐磨层；或至少一个刀翼的前端和/或后端有延伸自所述刀翼的缓冲座，所述缓冲座上设置有缓冲元件或缓冲耐磨层。

2.根据权利要求1所述的一种具有固定缓冲结构的金刚石钻头，其特征在于：至少两个相邻刀翼之间由缓冲座相连。

3.根据权利要求1所述的一种具有固定缓冲结构的金刚石钻头，其特征在于：至少一个刀翼的前方和/或后方延伸有缓冲座，且缓冲座不与钻头体相连。

4.根据权利要求1所述的一种具有固定缓冲结构的金刚石钻头，其特征在于：至少一个刀翼的前方和/或后方延伸有缓冲座，且缓冲座与钻头体相连。

5.根据权利要求1所述的一种具有固定缓冲结构的金刚石钻头，其特征在于：所述缓冲元件为孕镶金刚石元件、金刚石复合片、旋转齿或它们之间的组合。

6.根据权利要求2所述的一种具有固定缓冲结构的金刚石钻头，其特征在于：所述缓冲座位于钻头不同径向位置。

7.根据权利要求1所述的一种具有固定缓冲结构的金刚石钻头，其特征在于：所述缓冲座应用于包含有牙轮切削结构。

8.根据权利要求1所述的一种具有固定缓冲结构的金刚石钻头，其特征在于：缓冲座应用于盘刀切削结构的金刚石钻头中。

9.根据权利要求1所述的一种具有固定缓冲结构的金刚石钻头，其特征在于：所述缓冲座应用于包含有冲击切削结构的金刚石钻头中。

10.根据权利要求1所述的一种具有固定缓冲结构的金刚石钻头，其特征在于：所述缓冲座的外侧面与刀翼的保径面为相同回转面，共同参与钻头保径。